CN107193036A - 一种改进型核信号梯形脉冲成形方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进型核信号梯形脉冲成形方法和装置，其能够改善核信号梯形脉冲成形中的信号堆积问题，提高能谱测量的准确度和能量分辨率。该装置包括延时单元、第一离散滤波器、第二离散滤波器、增益单元、以及差分器；其中，所述延时单元用于根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；所述散滤波器用于根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；所述增益单元用于根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；所述差分器用于根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。

Description

一种改进型核信号梯形脉冲成形方法和装置
技术领域
本发明涉及核信号处理技术领域，尤其涉及一种改进型核信号梯形脉冲成形方法装置。
背景技术
射线的能谱测量包括测量其计数随能量的分布，是核辐射探测的一个重要方面。由于诸如X射线等的测量对分辨率、计数率和系统稳定性的要求均较高，因此对核脉冲信号的数字化处理具有较高的要求。在核能谱测量系统/探测器中，为了减小噪声、弹道亏损等对能谱测量的影响，需对核脉冲信号进行滤波成形。
梯形成形可减小或消除弹道亏损，当梯形平顶宽度大于探测器最大电荷收集时间时，可避免弹道亏损。因此，梯形成形是一种用于核脉冲信号滤波成形的重要方法。与模拟梯形成形相比,数字梯形成形在调整梯形的宽度时，可以通过现场可编程门阵列FPGA实现，不需对硬件进行调整，具有更高的灵活性和稳定性。
申请公布号为CN 103837884 A的中国发明专利申请，公开了基于冲激响应不变法的数字核脉冲梯形成形方法，其克服了核脉冲模拟梯形成形的部分不足，实现数字核脉冲信号的梯形成形。然而，该方法无法解决信号堆积问题。文献“用于高分辨率辐射光谱的脉冲形状实时数字合成”(Jordanov V T and Knoll G F.Digital synthesis of pulseshapes in real time for high resolution radiation spectroscopy.Nucl InstrumMeth A，1994，345：337–345.DOI：10.1016/0168-9002(94)91011-1)，公开了通过使用卷积方法开发了梯形脉冲成形的递归算法，其也无法解决梯形脉冲成形算分中的信号堆积问题。然而，梯形脉冲成形中的信号堆积问题导致能谱测量的准确度和能量分辨率较低。
虽然以如图1所示的等阶规律的阶跃信号(其横轴为时间，单位为妙)作为探测器的连续输出，通过现有技术中梯形成形算法处理后的放大器输出为标准负指数信号，可以获得出如图2所示的梯形脉冲输出，其能量分辨率较高，且不存在梯形成形的堆积问题。然而，真实核辐射测量具有统计特性、非周期性、非等值性等特点，因此真实核信号探测器输出通常并不完全如图1所示。更为接近真实核信号的探测器连续输出往往是如图3所示的非规律的阶跃信号，此种情况下获得的梯形脉冲信号如图4所示。由于无法分辨临近的脉冲，梯形成形无法发挥作用，只能丢弃重叠的脉冲，从而导致能量分辨率降低。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对上述现有技术存在的问题，提供一种改进型核信号梯形脉冲成形方法和装置，其能够改善核信号梯形脉冲成形中的信号堆积问题，提高能谱测量的准确度和能量分辨率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种改进型梯形脉冲成形方法，其包括：
步骤A：获取探测器输出信号；
步骤B：根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；
步骤C：根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；
步骤D：根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；
步骤E：根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
优选地，所述探测器输出信号表示为：
其中，z是幅度为eσ，相位为ω的复变量，σ为实变数，ω为实变量；τ为时间常数，Ts为ADC的采样率；ta为梯形脉冲的上升时间，tb-ta为平顶的持续时间，tc为梯形脉冲的总宽度，na＝ta/Ts,nb＝tb/Ts,nc＝tc/Ts。
优选地，所述延时因数为
优选地，所述离散滤波因数包括第一离散滤波因数以及第二离散滤波因数
优选地，所述增益因数为
优选地，所述差分因数：
优选地，所述梯形脉冲信号输出表达式为：
优选地，所述ta＝0.05s,tb＝0.15s,tc＝0.2s，Ts＝0.01s。
一种改进型梯形脉冲成形装置，其包括：延时单元、散滤波器、增益单元、以及差分器；
其中，所述延时单元用于根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；所述散滤波器用于根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；所述增益单元用于根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；所述差分器用于根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
优选地，所述散滤波器为低通滤波器，且包括第一离散滤波器和第二滤波器。
优选地，上述装置进一步包括用于实施上述任一种方法的延时单元、散滤波器、增益单元、以及差分器。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过本发明实施例提供的方法和装置对探测器输出信号进行延时处理、离散滤波处理、增益补偿以及差分处理，能够获取没有堆积梯形脉冲信号，有效地解决了核信号梯形脉冲成形中的信号堆积问题，能够提高能谱测量的准确度和能量分辨率，对提高核仪器的性能起到了重要作用。
附图说明
图1是等阶规律的阶跃信号示意图；
图2是现有技术中梯形脉冲成形方法以图1所示的阶跃信号作为输入获取的输出脉冲示意图；
图3是核探测仿真输出的非规律阶跃信号示意图；
图4是现有技术中梯形脉冲成形方法以图2所示的阶跃信号作为输入获取的输出脉冲示意图；
图5是一种典型的数字化谱仪系统结构示意图；
图6是根据本发明一实施例的一种改进型梯形脉冲成形装置的结构示意图；
图7是根据本发明一实施例的一种改进型梯形脉冲成形方法的流程图；
图8根据本发明一实施例的改进型梯形脉冲成形方法以图2所示的阶跃信号作为输入获取的输出脉冲示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
典型的数字化谱仪系统结构如图5所示，其包括探测器、数字脉冲处理器DPP、上位机；其中，DPP包括：放大器、模拟-数字转换器ADC、FPGA处理单元、接口单元。
本发明各实施例公开的改进型梯形脉冲成形方法可以集成在上述数字脉冲处理器中，也可以应用在独立的装置中。例如，图6所示的改进型梯形脉冲成形装置，其包括延时单元、第一离散滤波器、第二离散滤波器、增益单元、以及差分器；其中，所述延时单元用于根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；所述散滤波器用于根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；所述增益单元用于根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；所述差分器用于根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
如图7所示，根据本发明一实施例的改进型梯形脉冲成形方法包括如下步骤：
步骤701：获取探测器输出信号；
步骤702：根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；
步骤703：根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；
步骤704：根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；
步骤705：根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
在本发明的实施例中，可以使用探测器的真实输出的信号，也对探测器输出的信号进行仿真。下文以本发明一实施例采用的仿真探测器输出信号为例对改进型梯形脉冲成形过程进行详细说明。相应地，图6所示的改进型梯形脉冲成形装置中的各处理器件也可以使用数据工具(例如MATLAB)进行模拟。
具体地，将获取的探测器输出信号表示为阶跃信号：
探测器的连续输出输出可以表示为多个相加的阶跃信号：
其中，t表示时间，i表示阶跃信号的数量，且ti遵循泊松分布。
放大器的输出可表示为：
其拉普拉斯变换为：
其中，τ为时间常数，Q为探测器输出的电荷，Cf为电荷灵敏放大器CSA的反馈电容。为了便于说明，可以假设Q＝Cf＝1，则上式可以表示为：
放大器输出Xamp的z变换表示为：
其中，z是幅度为eσ，相位为ω的复变量，σ为实变数，ω为实变量。
在优选的实施例中，可以通过改变z变换极坐标的位置，以便获取更高的信噪比。例如，设置Ts＝0.01s,τ＝5s,d＝e-0.05＝0.95，则可获得典型的放大器输出：
进一步地，可以将上述探测器输出的连续阶跃信号表示为：
其中，x1＝(Vmax/ta)tu(t)，x2＝-x1(t-ta)u(t-ta)，x3＝-x1(t-tb)u(t-tb)，x4＝-x1(t-tc)u(t-tc)；ta为梯形脉冲的上升时间，tb-ta为平顶的持续时间，tc为梯形脉冲的总宽度，Vmax为梯形脉冲的高度。通过对上述探测器输出的阶跃信号进行z变换，探测器输出可以表示为：
其中，na＝ta/Ts,nb＝tb/Ts,nc＝tc/Ts，且Ts为ADC的采样率。
进一步可将探测器的连续输出输表示为：
根据探测器的连续输出输可以分别构建：
延时因数：
第一离散滤波因数：
第二离散滤波因数：
增益因数：
以及，差分因数：
根据上述各因数之积可得梯形脉冲信号输出表达式：
针对如图3所示的较为接近真实核信号的非规律的阶跃信号，根据进一步的实施例，可以设定：
ta＝0.05s,tb＝0.15s,tc＝0.2s
na＝0.05/0.01＝5,nb＝0.15/0.01＝15,tc＝0.2/0.01＝20
可得梯形脉冲信号为：
通过本上述发明实施例公开的改进型梯形脉冲成形方法所获得的梯形脉冲信号输出如图8所示，原本在图4中堆积在一起的前两个脉冲被成功分离。因此，通过本发明实施例的方法所获得的梯形脉冲，有效地解决了核信号梯形脉冲成形中的信号堆积问题，能够提高能谱测量的准确度和能量分辨率，对提高核仪器的性能起到了重要作用。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进型梯形脉冲成形方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤A：获取探测器输出信号；
步骤B：根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；
步骤C：根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；
步骤D：根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；
步骤E：根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器输出信号表示为：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>dz</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，z是幅度为eσ，相位为ω的复变量，σ为实变数，ω为实变量；τ为时间常数，Ts为ADC的采样率；ta为梯形脉冲的上升时间，tb-ta为平顶的持续时间，tc为梯形脉冲的总宽度，na＝ta/Ts,nb＝tb/Ts,nc＝tc/Ts。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述延时因数为
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离散滤波因数包括第一离散滤波因数以及第二离散滤波因数
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增益因数为
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述差分因数：
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述梯形脉冲信号输出表达式为：
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>dz</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>z</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述ta＝0.05s,tb＝0.15s,tc＝0.2s，Ts＝0.01s。
9.一种改进型梯形脉冲成形装置，其特征在于，所述装置包括：延时单元、散滤波器、增益单元、以及差分器；
其中，所述延时单元用于根据延时因数对探测器输出信号进行延时处理，获取延时信号；所述散滤波器用于根据离散滤波因数对延时信号进行离散滤波处理，获取离散滤波信号；所述增益单元用于根据增益因数对离散滤波信号进行增益补偿，获取补偿信号；所述差分器用于根据差分因数对补偿信号进行差分处理，获取梯形脉冲信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于实施权利要求2至8中任一项所述的方法的延时单元、散滤波器、增益单元、以及差分器。
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